電源給獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)它們需要滿足“始終在線”的要求時。畢竟，系統(tǒng)只有在電源持續(xù)時才是無線的。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠電池或能量收集來為它們晝夜供電。因此，工程師在設(shè)計產(chǎn)品時需要特別小心，以最大限度地降低功耗。

解決此問題的一種方法是創(chuàng)建細(xì)分為特定任務(wù)或電路塊的功率預(yù)算。通過為每個任務(wù)或電路分配功率預(yù)算，設(shè)計人員在選擇所需組件時可以獲得更多信息和清晰度。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的每個組件（包括傳感器、微控制器和無線連接）都需要選擇，以創(chuàng)建超低功耗實(shí)現(xiàn)。

MCU 供應(yīng)商在針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)化 MCU 時會考慮各種因素，包括：

完善技術(shù)節(jié)點(diǎn)

提供高度靈活的電源模式

啟用功耗優(yōu)化的硬件 IP 塊

使用靈活的低功耗信號鏈和模擬前端

將基本功能集成到單個芯片中

支持全面的工作電壓范圍

優(yōu)化閃存訪問

能量收集

用于制造MCU的工藝技術(shù)對于確定其性能、低功耗能力和成本至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要高效的有功功耗和低功耗模式消耗，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體能效。制造技術(shù)的不斷進(jìn)步導(dǎo)致芯片尺寸縮小。性能和功耗直接受到芯片收縮的影響?？s小芯片可降低打開/關(guān)閉每個晶體管所需的電流，同時保持相同的時鐘頻率。因此，更小的芯片具有更低的功耗和更大的頻率裕量，從而帶來更高的性能。遺憾的是，雖然工藝技術(shù)縮小了性能、功耗和集成度，但它帶來了管理漏電流的挑戰(zhàn)，尤其是在低功耗模式下運(yùn)行時。必須根據(jù)最終應(yīng)用在有源和低功耗模式電流消耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

在之前的專欄“無線電和計算機(jī)”中，我們探討了為什么最好使用足以滿足應(yīng)用程序需求的計算和連接，因?yàn)樘礁叩膶涌赡軙@著增加功耗。即使使用看似優(yōu)化的系統(tǒng)，也可能并不總是需要計算和連接。在這種情況下，使用 SoC 供應(yīng)商提供的低功耗模式是輕而易舉的。靈活的功耗模式使開發(fā)人員能夠安排單個系統(tǒng)事件，從而優(yōu)化整體功耗。一項(xiàng)基本技術(shù)是提供多個可在低功耗模式下運(yùn)行的外設(shè)，并且可以在不喚醒 CPU 的情況下喚醒這些外設(shè)以執(zhí)行其功能。在考慮MCU的功耗模式時，重要的是要超越基本架構(gòu)。例如，標(biāo)準(zhǔn) ARM CPU 內(nèi)核支持活動、睡眠和深度睡眠。MCU供應(yīng)商通常會添加額外的電源模式，以進(jìn)一步增強(qiáng)電源優(yōu)化。一些MCU還提供特定的低功耗有源模式，使外設(shè)能夠以有限的功能（如較低的工作頻率和電壓）和更低的功耗運(yùn)行。

傳感子系統(tǒng)還可以從創(chuàng)造性的功率優(yōu)化技術(shù)中受益。例如，以所需的最低采樣速率使用ADC，而不是過采樣。在基于電阻階梯的測量中，許多簡單的結(jié)束轉(zhuǎn)換可以巧妙地完成，而差分轉(zhuǎn)換較少。除了降低功耗外，這些技術(shù)還可以降低共模噪聲。

現(xiàn)代運(yùn)算放大器和其他線性集成電路具有降低的電源電壓和使能引腳。這使得系統(tǒng)能夠在不需要操作時關(guān)閉模擬前端/信號鏈。具有集成信號鏈或可編程模擬模塊的 SoC 提供了更大的靈活性。在片上可編程系統(tǒng)中，運(yùn)算放大器可以在深度睡眠功率模式下工作，具有非常低的有功電流，盡管代價是帶寬降低。這種技術(shù)對于始終接通的直流至低頻信號鏈具有相當(dāng)大的提升作用。

與可編程模擬提供的功能類似，具有可編程數(shù)字功能的SoC使系統(tǒng)能夠?qū)⒑唵蔚臄?shù)字任務(wù)卸載到可編程I/O。這允許 CPU 在處理這些任務(wù)時保持深度睡眠狀態(tài)。如果沒有這種可編程數(shù)字，CPU將不得不激活才能直接執(zhí)行這些任務(wù)。

另一個顯著影響功耗的因素是非易失性 （NV） 內(nèi)存訪問。對于使用閃存存儲固件代碼的MCU尤其如此。閃存訪問中的任何優(yōu)化都會導(dǎo)致功耗大幅降低。目標(biāo)是盡量減少閃存訪問的頻率。這里應(yīng)用了兩種常規(guī)技術(shù)。一種方法是提供緩存。這樣，不需要在每個執(zhí)行周期都不訪問實(shí)際的代碼存儲器（Flash）。由于緩存需要較少的功率才能訪問，這將顯著影響有功功耗。另一種方法是增加每個周期獲取的數(shù)據(jù)量。使用更廣泛的閃存訪問可降低閃存訪問頻率并降低功耗。

基于物聯(lián)網(wǎng)的MCU還可以提供靈活的電源系統(tǒng)。通過支持寬電源電壓范圍，MCU可以使用多個電源供電。例如，簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如健身追蹤器）可以由紐扣電池供電，而復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如智能手表）可以由PMIC（電源管理集成電路）供電。一些MCU提供內(nèi)部降壓轉(zhuǎn)換器，以有效調(diào)節(jié)功率。

能量收集是從操作環(huán)境（如光、熱和機(jī)械能）中獲得能量的過程。從系統(tǒng)級的角度來看，能量收集可以成為一種改變游戲規(guī)則的替代方案，而不是始終從電池中獲取電力。當(dāng)超低能耗系統(tǒng)需要少量功率時，能量收集是可行的。太陽能模塊是最受歡迎的能量收集解決方案，因?yàn)樗鼈冸S時可用、易于使用且成本低。然而，隨著智能鞋等可穿戴設(shè)備持續(xù)暴露于運(yùn)動中，壓電和電磁動能收集變得有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟叩碾妷合庐a(chǎn)生大量電力。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電發(fā)電機(jī)是利用熱量發(fā)電的絕佳選擇。雖然能量收集提供“免費(fèi)”能源，但它需要精心設(shè)計的電子設(shè)備，以便從不同的能源為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供恒定的供應(yīng)。

審核編輯：郭婷